Role of circulating miRNAs in Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) pathogenesis

Abstract

La scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA) représente la déformation rachidienne la plus commune en orthopédie, affectant 0,47 à 5,2 % de la population pédiatrique. Les patients atteints de SIA sont classés en fonction de l’angle de Cobb en deux groupes : les cas sévères ou progressifs (angle de Cobb ≥ 45°) et non sévères présentant une progression faible à modérée (angle de Cobb < 45°). A ce jour, l’étiologie de la maladie demeure encore inconnue, et il n'existe aucun outil disponible pour diagnostiquer ou prédire les patients à risque de développer une scoliose sévère. Par conséquent, dans le cadre de cette thèse de doctorat, je me suis concentrée à l’étude des mécanismes moléculaires sous-jacents à la progression des déformations rachidiennes, ce qui m’a permis de concevoir un outil permettant de pronostiquer la progression de la maladie dès le stade le plus précoce afin d’optimiser le traitement de la SIA. Mes travaux ont porté sur l’étude de l’épigénétique dans la pathogenèse de la SIA et plus spécifiquement sur le rôle de petits ARN non-codants appelés microARN (miARN). Ceux-ci jouent un rôle dans la régulation post-transcriptionnelle en se liant à la région 3'UTR de certains ARNm. Les travaux réalisés dans le cadre de mon premier manuscrit, ont permis la découverte de 15 miARN circulants (let-7f-5p, miR-1-3p, miR-18a-3p, miR-19a-3p, miR-19b-3p, miR-103a-3p, miR-107, miR-133b, miR-143-3p, miR-148a-3p, miR-148b-3p, miR-152-3p, miR-214-3p, miR-551b-3p et miR-576-5p) dont la surexpression est associée à la gravité de la SIA. Parmi eux, six miARN (miR-1-3p, miR-19a-3p, miR-19b-3p, miR-133b, miR-143-3p et miR-148b-3p) peuvent prédire le risque de développer une scoliose sévère avec une précision, une sensibilité et une spécificité de 100 % chez les patients symptomatiques dès la première visite médicale. Dans le cadre de mon second manuscrit, mes travaux ont permis l'identification d'un facteur protecteur de la maladie, la protéine tyrosine phosphatase mu (PTPμ), celle-ci agissant comme un régulateur des intégrines modulant leur activité. Ces travaux ont mis en évidence une réduction importante de la protéine PTPμ dans les ostéoblastes des patients atteints de SIA (cas sévères) qui pourrait s’expliquer principalement par la surexpression de cinq miARN circulants (miR-103a-3p, miR-107, miR-148a-3p, miR-148b-3p et miR-152-3p) ciblant le gène PTPRM. Parmi ceux-ci, le miR-148b-3p est particulièrement intéressant car il est également surexprimé dans les ostéoblastes des patients atteints de SIA par rapport aux sujets non-scoliotiques. L’inactivation génique du gène Ptprm chez la souris a permis de mettre en évidence que la déficience en PTPμ n’entraine pas la formation de scoliose chez les souris PTPμ -/- mais qu’elle aggrave la fréquence et la sévérité des scolioses chez les souris bipèdes, un modèle expérimental de la scoliose. En outre, l’analyse des ostéoblastes des souris PTPμ -/-, par différentes approches complémentaires, a permis de mettre en évidence que la perte de la protéine PTPμ entraine un disfonctionnement de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G inhibitrices tel qu’observé chez les patients atteints de SIA. De plus, ce défaut de signalisation semble s’expliquer par l’amplification de l’interaction entre l'ostéopontine (OPN) et son récepteur l’intégrine α5β1 en absence de PTPμ. De plus, l’inactivation de la phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase de type I (PIPKIγ90), un régulateur connu de la PTPμ permet de corriger ce défaut de signalisation. Ces résultats suggèrent que la perte de la protéine PTPμ représente un premier mécanisme moléculaire expliquant la progression des déformations rachidiennes dans la SIA et cette découverte pourrait conduire au développement de nouvelles approches thérapeutiques. Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most common spinal deformity in orthopedics, affecting 0.47 to 5.2% of the pediatric population. AIS patients are classified based on the Cobb angle into two groups: severe or progressive cases (Cobb angle ≥ 45°) and non-severe cases exhibiting mild to moderate progression (Cobb angle < 45°). To date, the etiology of the disease remains unknown, and there is no available tool to diagnose or predict patients at risk of developing severe scoliosis. Therefore, in this PhD thesis, I investigated the underlying molecular mechanisms of spinal deformity progression, which enabled me to design a tool to predict disease progression at the earliest stage to optimize AIS treatment. My work focused on studying the role of epigenetics in AIS pathogenesis, particularly the role of small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs). These miRNAs play a role in post-transcriptional regulation by binding to the 3'UTR of certain mRNAs. The research conducted for my first manuscript led to the discovery of 15 circulating miRNAs (let-7f-5p, miR-1-3p, miR-18a-3p, miR-19a-3p, miR-19b-3p, miR-103a-3p, miR-107, miR-133b, miR-143-3p, miR-148a-3p, miR-148b-3p, miR-152-3p, miR-214-3p, miR-551b-3p, and miR-576-5p), whose overexpression is associated with AIS severity. Among them, six miRNAs (miR-1-3p, miR-19a-3p, miR-19b-3p, miR-133b, miR-143-3p, and miR-148b-3p) can predict the risk of developing severe scoliosis with 100% accuracy, sensitivity, and specificity in symptomatic patients from the first medical visit. In my second manuscript, my research led to the identification of a disease-modifying factor, protein tyrosine phosphatase mu (PTPμ), which acts as an integrin regulator modulating their activity. This work highlighted a significant reduction in PTPμ protein levels in osteoblasts from severe AIS patients, which could be explained mainly by the overexpression of five circulating miRNAs (miR-103a-3p, miR-107, miR-148a-3p, miR-148b-3p, and miR-152-3p) targeting the PTPRM gene. Among these, miR-148b-3p is particularly interesting because it is overexpressed in the osteoblasts of AIS patients compared to healthy subjects. Gene inactivation of the Ptprm gene in mice revealed that PTPμ deficiency does not lead to scoliosis formation in PTPμ -/- mice but increases the frequency and severity of scoliosis in bipedal mice, an experimental model of scoliosis. Moreover, analysis of osteoblasts from PTPμ-null mice, using various complementary approaches, revealed that PTPμ loss leads to dysfunction in Gi-coupled receptor signaling, as observed in AIS patients. Furthermore, this signaling defect seems to be explained by enhanced interaction between osteopontin (OPN) and its receptor, α5β1 integrin, in the absence of PTPμ. Additionally, inactivation of phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase type I (PIPKIγ90), a known PTPμ substrate, helps correct this signaling defect. These results suggest that the loss of PTPμ protein represents a primary molecular mechanism explaining the progression of spinal deformities in AIS, and this discovery could lead to the development of new therapeutic approaches.